Материал: mikroshemotehnika

Вступ

Мікросхемотехніка – це розділ твердотільної електроніки, який тісно зв’язаний з мікроелектронікою, є її наступною частиною, входить до її складу як органічний модуль.

Предмет мікросхемотехніки складають принципи і прийоми побудови інтегральних мікросхем (ІМС), способи їх застосування та експлуатації. ІМС – це мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення і обробки сигналу, має високу щільність пакування електрично з’єднаних елементів (більше ніж 5 елементів на 1 см3, може досягати кількості сотень і навіть тисяч елементів на 1 см3) і з точки зору виготовлення і експлуатації розглядається як єдине ціле, що складається, у свою чергу, з елементів і компонентів [1]. ІМС притаманні: висока надійність, малі габарити (розміри і вага), низьке енергоспоживання.

Завданням розділу «Мікросхемотехніка» є вивчення і засвоєння:

основних принципів побудови та функціонування аналогових і цифрових ІМС різних типів;

застосування серійних мікросхем у складі (і при проектуванні) електронної техніки різного призначення;

будови і принципу дії пристроїв спряження мікросхем різних типів;

основних режимів і прийомів експлуатації ІМС. Вивчення розділу «Мікросхемотехніка» базується на

знанні попередніх розділів курсу «Твердотільна електроніка». Водночас мікросхемотехніка значною мірою корельована з курсами «Аналогова схемотехніка» і «Цифрова схемотехніка». Метод «від простого до складного» у розділі набирає форми вивчення мікросхемотехніки за схемою: схемотехнічний елемент – пристрій – вузол електронної техніки. Однак обмеженість розділу «Мікросхемотехніка» за навчальним часом диктує доцільність вивчення в ньому

6

лише елементів і пристроїв. Вузли натомість вивчаються переважно на подальших курсах підготовки спеціалістів з електронних систем.

При вивченні розділу необхідно усвідомити специфічні риси, що відрізняють прийоми мікросхемотехніки від схемотехнічних прийомів дискретної електроніки. Адже далеко не все, що вважається типовим для останньої, є сприйнятим у мікросхемотехніці. Наведемо приклади:

1 В ІМС недоцільно застосовувати котушки індуктивності, конденсатори великої ємності і високоомні резистори. Одні з них займають надто велику площу підкладки мікросхем, інші (а саме індуктивності в напівпровідникових ІМС) взагалі не піддаються методам інтегральної технології.

2 В ІМС доцільно застосовувати активні елементи (переважно транзистори), оскільки вони займають найменшу площу. Відтак оптимальною є така ІМС, у якої кількість і номінали пасивних елементів якнайменші.

3 Елементи напівпровідникових ІМС мають велике розсіювання (допуск) параметрів – до 20 відсотків від номінальних значень. Але оскільки суміжні елементи віддалені один від одного всього на 50 100мкм, то їх параметри взаємозв’язані, корельовані. Відтак розсіювання параметрів для всіх елементів мікросхеми ідентичне – у тому числі і під впливом температури.

4 Компенсація значних розсіювань параметрів, що можуть призвести до порушення нормального функціонування ІМС, здійснюється за рахунок зворотних зв’язків.

5 Універсальність застосування ІМС (багатофункціональність) досягається шляхом підвищення їх конструктивної складності (щільності пакування), застосування зворотних зв’язків і мінімізації кількості навісних елементів.

7

1 Схемотехніка аналогових інтегральних мікросхем

1.1 Сфера застосування і класифікація аналогових інтегральних мікросхем

Аналогові інтегральні мікросхеми (АІС) – це інтегральні схеми, які призначені для перетворення, генерування і обробки аналогових (неперервних) сигналів. Активні прилади (біполярні транзистори і МОН-транзистори) в АІС працюють у лінійному режимі, і тому більшість АІС називаються ще й лінійними ІМС (ЛІС).

АІС застосовуються у широкому діапазоні частот (від постійного струму до десятків ГГц) і у великому динамічному діапазоні вхідних і вихідних сигналів (до 120 дБ і більше). Тому асортимент АІС, які випускаються промисловістю, великий, а обсяг випуску становить 15 % від загального виробництва ІМС.

За функціональними можливостями АІС поділя-

ються на універсальні і спеціалізовані. Універсальні АІС здатні виконувати різні функціональні перетворення сигналів і мають широке застосування. Універсальність досягається ускладненням принципових схем; одержання натомість конкретних варіантів пристроїв на основі універсальних АІС здійснюється комутацією їх виводів і приєднанням додаткових навісних елементів. Наприклад, операційний підсилювач – це універсальна АІС. Спеціалізовані АІС – це схеми окремого, обмеженого застосування.

За функціональним призначенням АІС поділяються на радіочастотні (підсилювачі, генератори, фільтри, модулятори, надвисокочастотні ІМС тощо); інструментальні (компаратори, помножувачі, перетворювачі, аналогові ключі, регулятори рівня тощо) і силові (ІМС вторинних джерел живлення, потужні підсилювачі нижньої частоти, ІМС радіопередавальних пристроїв і т. п.).

8

Однією з істотних особливостей схемотехніки АІС є відсутність конденсаторів. Для аналогових мікросхем це призводить до додаткових схемотехнічних ускладнень: застосування спеціальних схем зсуву рівня або ж (у новітніх АІС) комплементарних біполярних транзисторів.

Розглянемо ряд базових схемотехнічних елементів АІС, що стали вже класичними.

1.2 Генератори стабільного струму

Генератори стабільного струму (ГСС) – це найчастіше застосовуваний базовий схемотехнічний елемент АІС. Його призначення – забезпечити практично незмінний струм у навантаженні при зміні величини останнього (I0 const

при RH var).

+E R

Рисунок 1.1 – Найпростіший ГСС

Найпростіший ГСС – це джерело живлення з достатньо великим внутрішнім опором R (рис. 1.1):

I0 R ERH , якщо R RH , то

З останнього виразу випливає, що струм ГСС I0 не залежить від RH .

9

Недоліками найпростішого ГСС є: низький ККД джерела внаслідок розсіювання потужності на R; неефективне використання джерела живлення, оскільки UH I0RH E ; при високому навантаженні непросто

забезпечити умову R RH в інтегральній схемотехніці.

Більш досконалим ГСС є каскад на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером (ССЕ) (рис. 1.2).

+E

R1 RH

V0 I0

R2 R3

Рисунок 1.2 – Варіант схеми ГСС

Як відомо, транзистор у схеми зі спільним емітером має вихідні характеристики з вираженою пологою ділянкою

– ділянкою високого диференціального опору:

Ця ділянка характеризується малою залежністю струму IК від напруги UКЕ . Недоліком схеми (рис. 1.2), є

температурна нестабільність струму IК (I0) .

Відтак у схемотехніці АІС найчастіше застосовується схема генератора стабільного струму за схемою рисунка 1.3. Цей елемент є для всієї множини АІС базовим.

10